Florian Hagemann. Ein formflexibles Werkzeug für das Rapid Tooling beim Spritzgießen

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1 Florian Hagemann Ein formflexibles Werkzeug für das Rapid Tooling beim Spritzgießen Herbert Utz Verlag München

2 Forschungsberichte IWB Band 226 Zugl.: Diss., München, Techn. Univ., 2008 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Wiedergabe auf fotomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben auch bei nur auszugsweiser Verwendung vorbehalten. Copyright Herbert Utz Verlag GmbH 2009 ISBN Printed in Germany Herbert Utz Verlag GmbH, München

3 Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München. Herrn Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh und Herrn Professor Dr.-Ing. Gunther Reinhart, den Leitern dieses Instituts, gilt mein besonderer Dank für die wohlwollende Förderung und großzügige Unterstützung meiner Arbeit. Bei Herrn Professor Dr. med. Dr.-Ing. habil Erich Wintermantel, dem Leiter des Lehrstuhls für Medizintechnik der Technischen Universität München, möchte ich mich für die Übernahme des Korreferates und die aufmerksame Durchsicht der Arbeit sehr herzlich bedanken. Ebenso bedanke ich mich aufrichtig bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts sowie allen Studenten, die mich bei der Erstellung meiner Arbeit unterstützt haben. Ein wesentlicher Dank gilt auch meiner Familie, der ich diese Arbeit widme. Dabei möchte ich besonders meinem Vater Herrn Detlef Hagemann und meiner Mutter Frau Renate Hagemann für die großzügige und verständnisvolle Unterstützung während meines gesamten akademischen Werdegangs danken. Mein größter Dank gilt meiner Frau Alexandra. Ohne ihre Unterstützung, ihr unerschütterliches Vertrauen und ihre Geduld während der unzähligen Abende, Wochenenden, Urlaubs- und Feiertage, die die Fertigstellung meiner Dissertation in Anspruch genommen hat, wäre diese schlichtweg unmöglich gewesen. Augsburg, im Oktober 2008 Florian Hagemann

4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... I Abbildungsverzeichnis...VII Tabellenverzeichnis...XI Verzeichnis der Abkürzungen und Akronyme... XIII Verzeichnis der Formelzeichen...XIX 1 Einleitung Situationsanalyse des Wirtschaftsstandorts Deutschland Begriffsdefinition Ausgangssituation Technische Aspekte des konventionellen Werkzeug- und Formenbaus am Beispiel des Spritzgießens Wirtschaftliche Aspekte des konventionellen Werkzeug- und Formenbaus am Beispiel des Spritzgießens Fertigungstechnologien für das Rapid Tooling Ansätze der Formflexibilität im Werkzeug- und Formenbau Motivation und Zielsetzung Gliederung der vorliegenden Arbeit Stand der Technik Rapid-Technologien im Bereich des Spritzgießens Rapid Tooling mittels Metall verarbeitender generativer Fertigungsverfahren I

5 Inhaltsverzeichnis Direkte Metall verarbeitende Verfahren Indirekte Metall verarbeitende Verfahren Rapid Tooling mittels konventioneller Fertigungsverfahren High Speed Cutting (HSC) Hochvorschubfräsen Rapid Tooling mittels Verfahrenskombinationen Controlled Metal Build Up Innovaris Alchemy-Technologie Metall-Spray-Technologie Präzisions-Laserstrahlsintern Rapid Tooling durch Modularisierung Space Puzzle Molding ecomold Lamellenwerkzeuge für die Prototypenherstellung Ansätze zur Realisierung von Wiederverwendbarkeit durch Formflexibilität Reconfigurable Tooling Systems (RTS) Automatisiertes Modellieren großflächiger Sandgussformen Sonstige modulbasierte, wiederverwendbare Werkzeugsysteme Handlungsbedarf vor dem Hintergrund der bestehenden Defizite im Rapid Tooling Zusammenfassung von Vor- und Nachteilen Metall verarbeitende generative Fertigungsverfahren im Bereich des Rapid Tooling...41 II

6 Inhaltsverzeichnis Konventionelle Fertigungsverfahren im Bereich des Rapid Tooling Rapid Tooling mittels Verfahrenskombinationen Rapid Tooling durch Modularisierungsansätze Wiederverwendbare Werkzeugsysteme Identifizierter Handlungsbedarf Methode zur Realisierung von Formflexibilität in der Werkzeugentwicklung Motivation für die Erarbeitung einer allgemeingültigen Methode Entwickelte und adaptierte Methodenbausteine Methodenablauf und -anwendung der Phase 1 am Beispiel des Spritzgießens Anforderungsmatrix Korrelationsmatrix Lösungstabelle Methodenablauf und -anwendung der Phase 2 am Beispiel des Spritzgießens Anforderungsermittlung Problemanalyse und -strukturierung Lösungssuche und -strukturierung Lösungsauswahl und Konsistenzprüfung Konzeption und Realisierung eines formflexiblen Spritzgießwerkzeugs Konzept des formflexiblen Werkzeugs für das Spritzgießen Realisierung des formflexiblen Spritzgießwerkzeugs III

7 Inhaltsverzeichnis Werkzeugrahmen Spannprinzip und -mechanismus Integration von spritzgießrelevanten Funktionen Reduktion der Nadelrasterung zur Optimierung des Spritzgießergebnisses Rechnergestützte Positioniereinheit zur automatischen Nadeljustage Software-Standardoptionen Software-Zusatzoptionen Hardware-Positioniereinheit Hardware-Steuereinheit Anwendungsszenarien und Erprobung des formflexiblen Spritzgießwerkzeugs Notwendigkeit der experimentellen Verifikation Definition von Anwendungsszenarien Abfräsen von Nadelköpfen zur Reduktion der Nadelrasterung am Spritzling Verwendung von formgebenden Zwischenschalen Direkte Verwendung der Nadelköpfe zur Formgebung Definition der Referenzgeometrie Anforderungen an das Referenzbauteil aus Sicht des Spritzgießens Konstruktive Ausgestaltung des Referenzbauteils Experimentelle Verifikation Versuchsplanung Versuchsdurchführung und -auswertung IV

8 Inhaltsverzeichnis 7 Wirtschaftliche Bewertung des formflexiblen Werkzeugs für das Spritzgießen Vorgehensweise Definition von Bewertungsszenarien Systematische Ein- und Durchführung der Bewertungsmethode Bewertungsklasse Kosten Bewertungsklasse Zeit Bewertungsklasse Qualität Bewertungsklasse Technologie Handlungsempfehlung auf Basis der wirtschaftlichen Bewertung Schlussbetrachtung Zusammenfassung Ausblick Literaturverzeichnis Anhang V

9 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Phasen eines Spritzgießzyklus am Beispiel einer Schneckenkolbenmaschine... 6 Abbildung 2: Einfach-Spritzgießwerkzeug für einen Verschlussdeckel (GASTROW 1998)... 8 Abbildung 3: Motivation und Zielsetzung Abbildung 4: Struktur der vorliegenden Arbeit Abbildung 5: Prozessablauf bei generativ arbeitenden Verfahren (in Anlehnung an MEINDL 2004) Abbildung 6: Physikalische und chemische Vorgänge beim Indirekten Metall-Laser-Sintern (BREITINGER 2003) Abbildung 7: Wärmeausbreitung bei der konventionellen Zerspanung und beim Hochgeschwindigkeitsfräsen (PIEVERLING 2003) Abbildung 8: Ergebnis und Teilschritte des ecomold-verfahrens (HENNIGS et al. 2004) Abbildung 9: Prozessablauf bei der automatisierten Herstellung von Sandgussformen (SCHAAF 2005) Abbildung 10: Flexibles Umformwerkzeug Abbildung 11: Verfahrensablauf bei einem NPT-Werkzeug Abbildung 12: Entwicklungsunterstützende Methode zur Realisierung von Formflexibilität Abbildung 13: Auswahl und Gewichtung von Phase-1-Anforderungen beim Spritzgießen (Ausschnitt) Abbildung 14: Ausschnitt der Bewertung von indirekt und direkt bewertbaren Anforderungen Abbildung 15: Exemplarische Lösung der Korrelationsmatrix (Ausschnitt) Abbildung 16: Problemstrukturierung zur Lösungsfindung (Ausschnitt) Abbildung 17: Formgebungsprinzip des Werkzeugsystems VII

10 Abbildungsverzeichnis Abbildung 18: Prinzipieller Ablauf beim Einsatz des Werkzeugsystems...68 Abbildung 19: Struktur des Werkzeugrahmens...74 Abbildung 20: Nadelspannkonzept mit zwei Blenden zur Ansteuerung eine Nadelposition in der xy-ebene...76 Abbildung 21: Mechanisches Verspannen des Nadelpakets durch Druckstücke...78 Abbildung 22: Spannprinzip des pneumatischen Muskels im Werkzeugsystem...80 Abbildung 23: Prinzipaufbau des pneumatischen Muskels (FESTO 2006)...80 Abbildung 24: Realisierung des pneumatischen Spannsystems (für den Einstellvorgang)...82 Abbildung 25: Aufbau des Blendenadapters zur Integration von Auswerferhülsen...85 Abbildung 26: Auswerfersystem im formflexiblen Werkzeug...86 Abbildung 27: Mikroskop-Aufnahmen eines Bauteils, hergestellt durch einen Abgießversuch...89 Abbildung 28: Prozesskette und Schnittstellen beim Einstellvorgang der Nadeln...92 Abbildung 29: Graphische Benutzeroberfläche (GUI) der entwickelten Software...95 Abbildung 30: VRML-Darstellung des Berechnungsschritts Laden...96 Abbildung 31: Vorberechnung relevanter Koordinaten...97 Abbildung 32: Zusammenfassung des Ablaufs zur Generierung der virtuellen Werkzeugkavität...98 Abbildung 33: Ablauf zur automatischen Generierung von Zwischenschalen Abbildung 34: Entwickelte Positioniereinheit Abbildung 35: Integration eines Kühlkanals in eine Zwischenschale Abbildung 36: Verwendetes Benchmarkbauteil mit stark vereinfachter Geometrie für die Qualifizierung des formflexiblen Werkzeugsystems Abbildung 37: Haupteffektediagramm der Mittelwerte Abbildung 38: Auf Zielgrößen bezogene Wirkungsflächendiagramme VIII

11 Abbildungsverzeichnis Abbildung 39: Anwendung des formflexiblen Werkzeugs Abbildung 40: Ablauf der wirtschaftlichen Bewertung Abbildung 41: Vergleich der Gesamtkosten zwischen Szenarium 2 und Szenarium Abbildung 42: Vergleich der Gesamtzeit zwischen Szenarium 2 und Szenarium Abbildung 43: Ansatz zur Weiterentwicklung des formflexiblen Werkzeugkonzepts als 6-seitiges Werkzeug Abbildung 44: Übersicht des Programms FlexEdit (Unified-Modelling-Language-Diagramm) Abbildung 45: Skalarprodukt zur Ermittlung des Winkels zwischen zwei Vektoren Abbildung 46: Anpassung der Koordinaten an die Nadelrasterung IX

12 1 Einleitung 1 Einleitung 1.1 Situationsanalyse des Wirtschaftsstandorts Deutschland Der Standort Deutschland befindet sich derzeit in einer immer stärker werdenden globalen Konkurrenzsituation. Gerade die vergleichsweise hohen Lohnkosten machen es deutschen Unternehmen schwer, sich gegenüber Schwellenländern, wie beispielsweise China, Russland, Indien oder auch Brasilien, zu behaupten. Globalisierung spiegelt in diesem Zusammenhang zunehmenden Wettbewerbsdruck wider, dem nahezu ausschließlich durch Innovation, Differenzierung, Rationalisierung und Konzentration auf Schwerpunkte begegnet werden kann (ZÄH et al. 2007a). Die Folge ist, dass das produzierende Gewerbe in Deutschland, also der sekundäre Sektor, als Arbeitsplatzgarant an Gewicht verliert, da meist nur durch Automatisierung lohnkostenarme, konkurrenzfähige Produkte Made in Germany hergestellt werden können. Bisher konnte der damit verbundene Arbeitsplatzabbau durch den tertiären Sektor kompensiert werden. Deutschland kann jedoch nicht ausschließlich von Dienstleistungen leben. Der prozentualen Anteil des sekundären Bereichs an der Bruttowertschöpfung der Bundesrepublik Deutschland liegt bei ca. 24 % (BUNDESAGENTUR FÜR ARBEIT 2006). Anhand dieser Zahl wird deutlich, dass es massiven Handlungsbedarf gibt, den sekundären Bereich am Standort Deutschland in angemessener Höhe zu bewahren. Nur durch stetig vorangetriebene, marktgerechte Innovationen kann die Bundesrepublik Deutschland auch als Hochlohnland das produzierende Gewerbe erhalten und somit den Standort langfristig sichern. Die Entwicklung technischer Neuerungen reicht zukünftig nicht mehr aus. Daher gilt es, globale Innovationen zu schaffen (nach SCHUMPETER 1952). Global bedeutet in diesem Kontext, Neuerungen in den Bereichen Technologie, Prozess, Organisation und Produkt umzusetzen und zu etablieren. Daher muss auch die darauf folgende Platzierung der Produkte am Markt gezielt gefördert und unterstützt werden. Es ist notwendig zu verhindern, dass Deutschland ein Innovationsgenerator ist, dessen Energie jedoch von anderen Ländern genutzt wird. Gleichzeitig sollte Deutschland lernen, dass eine Offenheit gegenüber Technikentwicklung und Technikwertigkeit essenziell ist, um unter globaler Konkurrenz eine Zukunft zu haben (REINHART & HAGEMANN 2007). Bei Betrachtung der Sparte des Werkzeug- und Formenbaus, ein Beispiel für einen Vertreter des sekundären Sektors, stellt sich die Situation wie folgt dar: Insbesondere der 1

13 1.1 Situationsanalyse des Wirtschaftsstandorts Deutschland Verlust der Wettbewerbsfähigkeit in den letzten Jahren gegenüber Ländern aus der asiatisch-pazifischen Region und dem osteuropäischen Raum ist in erster Linie auf die hohen Kosten des Faktors Arbeit am Standort Deutschland zurückzuführen (BREUN 2006). Besonders im Werkzeug- und Formenbau müssen einerseits durchgängige Prozesse entwickelt werden, die eine lohnkostenarme Herstellung der Werkzeuge oder Formen ermöglichen. Andererseits führt die Internationalisierung des Wettbewerbs zu offenen Märkten und damit zu der Möglichkeit, den größer werdenden Exportmarkt zu nutzen. Der Umsatz des deutschen Werkzeug- und Formenbaus lag im Jahr 2006 bei 5,5 Mrd., was nicht zuletzt im steigenden Exportvolumen begründet ist (GRIMM 2006). China konnte dagegen schon im Jahr 2005 rund 6 Mrd. im Werkzeug- und Formenbau erwirtschaften und ist mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 15 % ein ernst zu nehmender Konkurrent. Hinzu kommt, dass China im Bereich wenig komplexer, standardisierter Werkzeuge aktuell Kostenvorteile von bis zu 70 % gegenüber europäischen Konkurrenten hat (YANAN 2006). Auf Grund eines derzeitigen Mangels an qualifiziertem Personal schrumpft dieser Kostenvorteil bei Werkzeugen mit geforderten, hohen Standzeiten sowie hoher Präzision auf ein Minimum. Allerdings wird gerade China dieses Defizit in Zukunft schnell kompensieren können. Zum einen lässt China die eigenen Menschen verstärkt im Ausland ausbilden, zum anderen führen die hohen Importraten automatisch zu einem Know-how-Aufbau der chinesischen Unternehmen und damit zu einem Verlust des Wissensvorsprungs des exportierenden Landes. Vor diesem Hintergrund wird das Dilemma des deutschen Werkzeug- und Formenbaus deutlich. Auf der einen Seite zeigen die Wachstumsraten auf Grund guter Exportzahlen, dass die Globalisierung den Standort Deutschland sichert, auf der anderen Seite verliert Deutschland infolge des Know-how-Verlusts jedoch einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Die weltweite Verfügbarkeit von Informationen und Technologien sowie globale Wertschöpfungsnetzwerke verstärken diesen Trend zusätzlich (WILDEMANN et al. 2007). Um den Werkzeug- und Formenbau am Standort Deutschland zu sichern bzw. auszubauen, ist es notwendig, durch globale Innovationen schneller Wissen zu generieren, als es wieder abfließen kann. Für den Werkzeug- und Formenbau heißt dies, Werkzeuge hoch automatisiert, flexibel und vor allem wiederverwendbar zu gestalten, um einen maximalen Kostenvorsprung gegenüber konventionell hergestellten Werkzeugen zu erzielen. Dabei ist eine Betrachtung der gesamten Prozesskette der Werkzeugherstellung unabdingbar. Die Kette beginnt bei der Konstruktion des Werkzeugs, der Ableitung der Werkzeugkavität, setzt sich bei der Generierung von Steuerbefehlen für die eigentliche Fertigung fort und endet mit der möglichst vollständig automatisierten Herstellung des Werkzeugs. 2

14 1 Einleitung Die Entwicklung der Märkte zeigt, dass Produkte zunehmend kundenorientiert gestaltet und produziert werden (UHLMANN 2003), also ein Wandel vom Verkäufer- zum Käufermarkt stattgefunden hat (HOFFMANN 2003). Diese Individualisierung bedingt die Entwicklung von flexiblen Fertigungsverfahren und Fertigungstechnologien, die eine wirtschaftliche Realisierung von Individualprodukten bis hin zu einer Losgröße 1 oder auch von Kleinstserien erlauben. Flexibilität bezeichnet in diesem Zusammenhang die Fähigkeit, mit einer Fertigungstechnologie schnellst möglich auf sich ändernde Randbedingungen reagieren zu können (HAGEMANN 2007). Für den Werkzeug- und Formenbau heißt das in erster Linie, geänderte Produktgeometrien auf Basis gewandelter Kundenwünsche zeitnah und aufwandsarm in der Werkzeuggeometrie zu realisieren, um eine Vielzahl an Varianten herstellbar zu machen und gegebenenfalls Änderungen ohne hohen Kosten- und Zeitaufwand zu realisieren. Beim konventionellen Werkzeug- und Formenbau für das Spritzgießen kommt die lohnkostenintensive, von manueller Tätigkeit geprägte Fertigung der Werkzeuge hinzu. Im Fall ausreichend großer Stückzahlen und einer entsprechend langen Laufzeit des Produkts sind die hohen Werkzeugherstellkosten wirtschaftlich auf die Produkte umzulegen. Sobald aber einer oder gar beide der genannten Faktoren (Stückzahl oder Laufzeit) reduziert werden, besteht die Gefahr einer wirtschaftlich erschwerten bzw. unmöglichen Produktion. Gerade im Bereich der Kleinserienfertigung oder der Fertigung von Prototypen sind die Werkzeugkosten von hoher Relevanz für die späteren Produktkosten. Es bleibt festzuhalten, dass besonders die Herstellung von kleinen Stückzahlen oder Prototypen im Bereich des Spritzgießens sich auf Grund der hohen Werkzeugkosten an der Grenze der Rentabilität befinden. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sind die so genannten Rapid-Technologien eine technische Möglichkeit, um die Flexibilität und den Automatisierungsgrad im Prototypenwerkzeugbau zu erhöhen. In der Anwendung im Werkzeug- und Formenbau werden diese auch als Rapid-Tooling- Technologien bezeichnet. Allerdings gilt es in diesem Bereich, einen Innovationssprung durch eine automatisierte, an jegliche Geometrie anpassbare und damit wiederverwendbare Werkzeugkavität zu entwickeln. Ein solches formflexibles Werkzeug ist eine viel versprechende Möglichkeit, das Serienherstellungsverfahren Spritzgießen für kleine Losgrößen wirtschaftlich zu gestalten und die Vorteile des Spritzgießens (z. B. Materialvielfalt, Bauteilfestigkeit, geringe Herstellzeit, etc.) auch im Prototypenbereich nutzbar und sichtbar zu machen. Zusätzlich kann durch eine automatisierte und damit rationalisierte Herstellung der formgebenden Kavität dem Wettbewerbsvorteil geringer Lohnkosten seitens der Schwellenländer, wie beispielsweise China, entgegen getreten werden. 3

15 1.2 Begriffsdefinition Die hier angesprochenen Themenschwerpunkte werden im Folgenden detailliert behandelt. Zum einen wird gezeigt, wie durch methodisches Vorgehen innovative Ideen generier- und ausbaubar sind, zum anderen werden die Potenziale dieser Ideen durch die konkrete Realisierung und Anwendung am Beispiel eines formflexiblen Werkzeugs für das Spritzgießen demonstriert. Zunächst erfolgt jedoch eine allgemeine Begriffsdefinition der in dieser Arbeit verwendeten Bezeichnungen. 1.2 Begriffsdefinition Bei der Betrachtung einschlägiger Fachliteratur im Bereich der Rapid-Technologien fällt auf, dass eine einheitliche Verwendung von Begriffen noch nicht etabliert ist. Vielmehr verwendet jeder Autor seine eigene Nomenklatur. Diese Situation entstand vor allem auf Grund eines sich sehr schnell entwickelnden Marktes und einer Vielzahl von sehr ähnlichen Verfahren. Anlagenhersteller sind in diesem Umfeld bemüht, die eigenen Technologien ständig unter neuen Begriffen zu vermarkten, um sich so von der Konkurrenz zu unterscheiden. Um für diese Arbeit ein einheitliches Verständnis der wesentlichen Begriffe zu schaffen, erfolgt nachstehend eine zusammenfassende Begriffsdefinition. Unter Rapid- Technologien werden in dieser Arbeit alle Fertigungsverfahren verstanden, die einer schnellen Herstellung von Objekten im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren gerecht werden. Hierbei wird der Begriff Objekt verwendet, da sowohl fertige Produkte, Normalien und Prototypen als auch Werkzeuge relevant bzw. adressiert sein können. Hinter dem Begriff der Rapid-Technologien verbergen sich demnach nicht nur die klassischen, schichtweise, also generativ, arbeitenden Verfahren, sondern auch Fertigungsverfahren und -ketten, die beispielsweise durch entsprechende Organisationsstrukturen oder innovative Technologieansätze, in Bezug auf kurze Durchlauf- und Produktionszeiten, optimiert sind (BREITINGER 2005). Weitere Begrifflichkeiten, die auf der Unterscheidung des herzustellenden Gegenstands beruhen, entstehen durch die Einteilung der Rapid-Technologien in die Bereiche Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing. Beim Rapid Prototyping sind Prototypen der Fokus, beim Rapid Tooling Werkzeuge und beim Rapid Manufacturing gilt es, fertige Produkte oder Produktkomponenten herzustellen (ZÄH et al. 2006c) Das im Folgenden vorgestellte Konzept eines formflexiblen Spritzgießwerkzeugs kann demnach zu den Rapid-Technologien gezählt werden und ist ein Vertreter des Rapid Tooling. Neben dieser Einordnung ist es für das weitere Verständnis notwendig, den 4

16 1 Einleitung Begriff der Formflexibilität einzugrenzen bzw. dem Leser eine eindeutige Definition des damit auszudrückenden Inhalts anzubieten. Formflexibilität ist ein Kunstwort und setzt sich aus den Begriffen Form und Flexibilität zusammen. Unter Flexibilität wird im allgemeinen Sprachgebrauch eine biegsame bzw. verformbare Eigenschaft verstanden (DUDENREDAKTION 2004). In der Technik ist dieser Begriff allerdings nicht exakt definiert, da eine bestimmte Eigenschaft nicht eindeutig mit diesem beschrieben werden kann. Vielmehr ist eine Kombination aus mehreren Eigenschaften, wie z. B. Elastizitätsmodul, Festigkeit oder die Geometrie des Körpers gemeint, wenn von Flexibilität aus technologischer Sicht gesprochen wird. Genau diese, fehlende Eindeutigkeit des Begriffs bzw. die Tatsache, dass eine Vielzahl von Eigenschaften im Begriff der Flexibilität vereint sind, trifft den Kern des im Folgenden vorgestellten Ansatzes und rechtfertigt die Verwendung dieses Begriffes. In Verbindung mit dem Wort Form, was die äußere Gestalt eines Körpers definiert (DUDENREDAKTION 2004), entsteht so ein Begriff, der ein Objekt beschreibt, das eine verformbare, an die jeweilige Situation anpassbare und auch wieder änderbare äußere oder innere Gestalt aufweist. 1.3 Ausgangssituation Technische Aspekte des konventionellen Werkzeug- und Formenbaus am Beispiel des Spritzgießens Die Spritzgießtechnik ist eine Herstellungsvariante für Kunststoffbauteile, die nach DIN 8580 zu den urformenden Fertigungsverfahren gezählt werden kann. Darunter wird das Fertigen eines festen Körpers aus einem so genannten formlosen Stoff mit anschließendem Schaffen des Zusammenhaltes zur Geometriegestaltung verstanden. Der formlose Stoff ist im Fall des hier betrachteten Kunststoffspritzgießens eine Kunststoffschmelze, die erhitzt und unter hohem Druck von einer Spritzgießmaschine in ein Werkzeug gepresst wird. Die Kombination von Werkzeug und Spritzgießmaschine kann als Formgebungseinheit bezeichnet werden, über die direkt gebrauchsfertige Formteile (Spritzlinge) ohne zusätzliche Nacharbeit hergestellt werden können (WINTERMANTEL et al. 2008a). Rein funktionell ist das Aufschmelzen von Kunststoffen unter Einwirkung von Wärme in einem Zylinder-Kolbensystem und die Überführung der Schmelze unter teilweise sehr hohen Drücken in eine formgebende, gekühlte Werkzeughöhlung schon seit 1872 für dieses Verfahren bekannt (JOHANNABER & MICHAELI 2004). Dieser periodisch wiederkehrende Vorgang ist als Zyklus zu bezeichnen (BÜRKLE et al. 2008). 5

17 1.3 Ausgangssituation Ein Spritzgießzyklus wird in 3 Hauptphasen gegliedert: das Einspritzen, das Plastifizieren (Nachdrücken und Kühlen) sowie das prozessfinalisierende Auswerfen. Der Ablauf eines kompletten Zyklus des Spritzgießens ist in Abbildung 1 dargestellt. Einspritzen Trichter Werkzeug Kavität Schnecke Zyklus Auswerfer Plastifizieren Rückstromsperre Anguss Spritzling/Formteil Auswerfen Abbildung 1: Phasen eines Spritzgießzyklus am Beispiel einer Schneckenkolbenmaschine Folgende Prozesse lassen sich bei einem Spritzgießzyklus identifizieren (MENGES & MOHREN 1991): Die Schließeinheit der Spritzgießanlage schließt das Werkzeug und bringt die Schließkraft oder auch Zuhaltekraft auf, damit keine Schmelze aus dem Werkzeug entweichen kann. Eine Plastifiziereinheit (Düse) fährt an die Angussbuchse des Werkzeugs. Die plastifizierte Formmasse wird in die Kavität gespritzt. Dabei kommt meist ein Schneckenextruder mit einer koaxial verschiebbaren Schnecke zum Einsatz, die als Kolben fungiert. Die Plastifiziereinheit hält den Nachdruck aufrecht, um die Schwindung des Kunststoffs in der Kavität auszugleichen, die durch die Volumenkontraktion beim Abkühlen der Schmelze entsteht. 6

18 1 Einleitung Die Rückstromsperre wird aktiviert bzw. es verhindert bereits verfestigtes Material im Anguss den Rückfluss der Schmelze aus dem Werkzeug. Die Schnecke rotiert rückwärts, fördert und plastifiziert die Formmasse (Granulat) erneut, bis das Dosierwegende erreicht ist. Nach dem Erstarren des Spritzlings fährt die Plastifiziereinheit in die Ausgangsstellung zurück. Mit Ablauf der Restkühlzeit öffnet die Schließeinheit das Werkzeug. Das Auswerferpaket entformt parallel zum Öffnen des Werkzeugs das Formteil automatisch. Mit dem Schließen des Werkzeugs beginnt der Vorgang des Spritzgießens erneut. Die grundlegende Aufgabe eines Werkzeugs beim Spritzgießen besteht darin, die Schmelze aufzunehmen, zu verteilen, auszuformen, zu temperieren und nach dem Verfestigen auszuwerfen. Daraus leiten sich die konstruktiv zu realisierenden Funktionalitäten eines Spritzgießwerkzeugs ab. Mit den im Folgenden aufgeführten Komponenten lassen sich die genannten Aufgaben in einem konventionell gefertigten Werkzeug realisieren: Maschinenaufnahme Auswerferpaket Bewegungsübertragung Formnest mit entsprechender Entlüftung Kraftaufnahme Temperierung Führung und Zentrierung Angusssystem Im einfachsten Fall besteht das formgebende Werkzeug aus zwei Hälften, die über entsprechende Zentrierungen, eine Kombination aus Führungssäulen und Führungsbuchsen oder aus kegelförmigen Zentriereinheiten zueinander ausgerichtet sind und direkt in die Spritzgießmaschine integriert werden. Dazu sind Aufspannbereiche am Werkzeug vorgesehen, in die beispielsweise die Spannpratzen der Spritzgießmaschine greifen. Im Allgemeinen können die beiden Werkzeughälften als Auswerferseite (schließseitige Werkzeughälfte) und als Angussseite (düsenseitige Werkzeughälfte) bezeichnet werden. Das eigentliche Auswerferpaket der Auswerferseite ist fest mit dem Bett der Spritzgießanlage gekoppelt. Der formgebende Bereich der schließseitigen Werkzeughälfte kann hingegen mit der beweglichen Aufspannfläche der Spritzgießanlage verbunden werden. Durch diese Konstruktion (siehe Abbildung 2) entsteht beim Öffnen des Werkzeugs bzw. der Spritzgießanlage eine Relativbewegung zwischen der schließseitigen Werkzeughälfte und den Auswerferstiften, wodurch der Spritzling aus der Kavität geschoben wird. In die Angussseite ist eine Angießbuchse integriert, die die Schnittstelle zwischen 7

19 1.3 Ausgangssituation der Düse in der Plastifiziereinheit und der Kavität des Werkzeugs darstellt. Zum einen wird so das Einspritzen des Kunststoffs in das Werkzeug realisiert, zum anderen zentriert die Angießbuchse die Einspritzdüse, wodurch ein ungewolltes Austreten von flüssigem Kunststoff durch die damit einhergehende Abdichtung verhindert wird Abbildung 2: Einfach-Spritzgießwerkzeug für einen Verschlussdeckel 1 (GASTROW 1998) Der eigentliche formgebende Bereich eines Werkzeugs wird konventionell über spanende oder abtragende Fertigungsverfahren realisiert. Das gebräuchlichste Fertigungsverfahren hierfür ist das Fräsen. Stößt dieses Verfahren allerdings an seine Grenzen, beispielsweise bei sehr großen Aspektverhältnissen, so kommen kostenintensive, elektrochemische Verfahren zum Einsatz, bei denen der Abtrag des Werkstoffs durch Funkenentladung erfolgt (z. B. Senkerrodieren). Zusätzlich müssen die beiden Werkzeughälften in einem finalisierenden Touchierprozess aneinander angepasst werden, um die entsprechende Dichtigkeit zwischen den Werkzeughälften zu erzielen. 1 1, 7 Aufspannplatte; 2, 3, 4 Formplatte; 5, 6 Auswerferplatte; 8 Auswerferstange; 9 Druckfeder; 10 Ausstoßbolzen; 11 Kernsockel; 12 Formring; 13 Kernaufsatz; 14 Abschiebering; 15 formgebender Bereich; 16 Angießdüse 8

20 1 Einleitung Wirtschaftliche Aspekte des konventionellen Werkzeug- und Formenbaus am Beispiel des Spritzgießens Die einleitende Darstellung der Aufgaben und Funktionalitäten eines Spritzgießwerkzeugs und die damit beschriebenen Anforderungen an den Werkzeug- und Formenbau zeigen den Komplexitätsgrad der Werkzeugherstellung. Der konventionelle Werkzeugund Formenbau ist zusätzlich geprägt von einer stark sequentiellen, zeit- und lohnkostenintensiven Vorgehensweise (LANGEN 1998). Bei kleinen Serien beeinflussen die Werkzeugkosten sehr häufig die Entscheidung für ein Produkt bzw. für die Fertigung des Produkts durch die Spritzgießtechnologie (HORVÁTH et al. 1994). Dies ist darin begründet, dass unterschiedliche Geometrien jeweils speziell angepasste Werkzeuge benötigen. Zusätzlich werden bei veränderten Randbedingungen innerhalb einer Anwendung veränderte Werkzeugausprägungen relevant. Daher kann konstatiert werden, dass Werkzeuge im Allgemeinen für ein singuläres Einsatzszenarium entwickelt bzw. hergestellt werden und bei sich ändernden Randbedingungen ersetzt, aufwändig umgestaltet oder ergänzt werden müssen. Bei der Fertigung von Produkten unter Verwendung von Werkzeugen sind daher die Werkzeugkosten direkt auf die Herstellkosten des Produkts aufzuschlagen und beeinflussen somit indirekt (da abhängig von den Produktstückzahlen, die mit einem Werkzeug fertigbar sind) den Preis für das einzelne Produkt. Zusätzlich sind Spritzgießwerkzeuge hoch präzise gefertigt und werden daher in der Regel nur einmal hergestellt (MENGES & MOHREN 1991). Änderungen während des Produktentwicklungsprozesses können daher oft nur mit erheblichem Aufwand und damit kostenintensiv umgesetzt werden. Eine weitere Problematik ist in der geringen Flexibilität und Wiederverwendbarkeit von konventionellen Werkzeugen zu sehen. Ein Umlegen von Werkzeugkosten auf mehrere Produktgenerationen ist nur selten möglich. Hinzu kommt, dass sich die Randbedingungen im Werkzeug- und Formenbau in den letzten Jahren stark verändert haben (siehe Abschnitt 1.1). Der derzeitige Trend zu individualisierten Produkten führt gleichzeitig zu reduzierten Stückzahlen pro Variante. Die Wirtschaftlichkeit des Spritzgießens wird durch hohe Werkzeugkosten eingeschränkt, die bei großer Variantenvielfalt nur auf eine geringe Anzahl von Bauteilen umgelegt werden können. Dabei erhöhen die Ansätze der Modularisierung bzw. Standardisierung von Werkzeugsegmenten die Flexibilität der Werkzeuge nur geringfügig (ZÄH et al. 2006b). Trotz der Möglichkeit, bestimmte Bereiche des Werkzeugs im Fall von Änderungen in der Produktgeometrie zu ersetzen, können die Module immer nur für eine spezielle Bauteilgeometrie genutzt werden. Von Wiederverwendbarkeit des Werkzeugs kann daher nur begrenzt gesprochen werden, da 9

21 1.3 Ausgangssituation lediglich der Formrahmen bzw. im günstigsten Fall die Angusssysteme oder Auswerferpakete mehrfach genutzt werden können. Die formgebenden Kavitäten sind hingegen nicht für neue Produktgeometrien verwendbar. Neben der geringen Wiederverwendbarkeit von Werkzeugelementen ist ein weiterer kostenintensiver Bereich der Werkzeugherstellung in der Fertigung der eigentlichen Kavitäten zu sehen. Oft handelt es sich dabei um komplexe Freiformflächen, die durch mehrere Prozessschritte und Herstellungsverfahren, wie beispielsweise Fräsen und Erodieren, gefertigt werden müssen. Gerade wenn der Einsatz von Erodierverfahren notwendig ist, steigen die Herstellkosten, da neben dem hohen Zeitbedarf beim Erodieren auch die Konstruktion und Fertigung der Erodierelektroden anfallen und auf die Werkzeugkosten aufgeschlagen werden müssen (ZÄH et al. 2006a). Ein erster Schritt zur Kostensenkung im Werkzeug- und Formenbau ist daher in der Modularisierung der formgebenden Werkzeugbereiche zu sehen. Der Fertigungsaufwand pro Modul lässt sich erheblich senken, da kleinere Segmente der Freiformflächen beispielsweise durch die bessere Zugänglichkeit schneller und mit weniger Aufwand auch auf Standard-Maschinen gefertigt werden können. Neben der Modularisierung des Werkzeugs sind allerdings zusätzliche Innovationen im Bereich der Fertigungsverfahren und der Fertigungsorganisation nötig, um die Wirtschaftlichkeit im Werkzeug- und Formenbau bei Kleinserien zu garantieren (SPATH 2004). Eine mögliche Innovation stellen die so genannten Rapid-Technologien mit dem Rapid Tooling dar, auf die im folgenden Abschnitt einführend eingegangen wird Fertigungstechnologien für das Rapid Tooling Das Rapid Tooling unterscheidet sich grundsätzlich vom Serienwerkzeugbau. In diesem werden höchste Anforderungen an die Präzision (WINTERMANTEL et al. 2008b) und Standzeit der Werkzeuge gestellt. Mit hohem Kostenaufwand müssen die entsprechenden Werkzeuge für möglichst geringe Zykluszeiten in der späteren Produktion der Bauteile optimiert bzw. die notwendigen Werkzeugoberflächen durch aufwändige Prozessketten (z. B. Fräsen, Erodieren, Schleifen) hergestellt werden. Diese Anforderungen sind dagegen im Rapid Tooling abgeschwächt. Meist genügen hier beispielsweise der Einsatz von Aluminiumwerkzeugen sowie die einfache Gestaltung der Werkzeuge durch Einlegeteile anstelle von aufwändigen Schiebern, um einen Prototypen oder eine Kleinserie zu fertigen. Beim Rapid Tooling sinkt daher der Aufwand bei der Entwicklung und Fertigung des Werkzeugs für die Prototypenherstellung. Allerdings verursachen solche Rapid-Tooling-Werkzeuge meist längere Zykluszeiten bei der eigentlichen Bauteilproduktion, was auf Grund der geringen herzustellenden 10

22 1 Einleitung Stückzahlen im Bereich der Prototypen oder einer Kleinserie nicht ins Gewicht fällt. Wie bereits erwähnt, ist ein weiterer Aspekt des Rapid Tooling in der konsequenten Ausrichtung auf kurze Durchlaufzeiten bei der Werkzeugherstellung zu sehen. Sind die dafür notwendigen organisatorischen Voraussetzungen erfüllt, so können Rapid- Technologien bereits heute im Bereich der Fertigung von Spritzgießwerkzeugen effizient zum Einsatz kommen. Erschwerend kommt jedoch hinzu, dass Prototypenwerkzeuge häufig einem sehr hohen Änderungsbedarf und damit -aufwand unterliegen (BREITINGER 2005). Diese Änderungen erfordern meist einen weiteren Materialabtrag für das Einbringen zusätzlicher Konturelemente oder den gesamten Neubau des Formeinsatzes. Das Rapid Tooling bietet im Hinblick auf Wiederverwendbarkeit bzw. Anpassbarkeit von kompletten Spritzgießwerkzeugen bei Geometrieänderungen noch keine technische Lösung. Derzeit beinhaltet dieses Konzept, dass ein standardisierter Rahmen mit Formeinsätzen kombiniert wird, die mittels Rapid-Technologien meist durch Metall verarbeitende generative Verfahren oder mit Hilfe der HSC-Technik hergestellt werden (BREITINGER 2003). Eine detaillierte Darstellung von Rapid-Technologien im Bereich des Rapid Tooling ist Kapitel 2 zu entnehmen Ansätze der Formflexibilität im Werkzeug- und Formenbau Im folgenden Unterabschnitt wird aufgezeigt, welche Ideen es bereits zur Realisierung von Formflexibilität im Werkzeug- und Formenbau gibt. Diese fokussieren sich in erster Linie auf den Einsatz im Bereich der Umformtechnik. Weltweit existieren verschiedene Institute, die sich mit der Verwendung von Stempelkissen beim Tiefziehen oder der Blechumformung, beispielsweise für Flugzeugrumpfsegmente, beschäftigen. Eine genaue Beschreibung dieser Projekte ist Abschnitt 2.2 zu entnehmen. Im Rahmen dieses Unterabschnitts soll das Umfeld, in dem die Entwicklung des formflexiblen Spritzgießwerkzeug-Konzepts stattfindet, aufgezeigt werden. Im Bereich des Spritzgießens gibt es mit Ausnahme der hier beschriebenen Forschungstätigkeit keinerlei Aktivitäten bezüglich der Entwicklung und Realisierung eines wiederverwendbaren, flexiblen Werkzeugs. Lediglich ein Patent der Firma Nissan Motor Co., Ltd., aus dem Jahr 1994 befasst sich mit dieser Thematik (PATENTSCHRIFT DE C ). Allerdings wird in dieser Patentschrift das Prinzip eines Stempelkissens zur Formgebung aus dem Bereich der Umformung herangezogen und lediglich für das Druck- und Spritzgießen als Anwendungsbeispiel patentiert. Eine direkte Anpassung an die Randbedingungen und Anforderungen des Spritz- oder Druckgießens wird nicht vorgenommen. 11

23 1.4 Motivation und Zielsetzung Neben dem bereits genannten Patent sind weitere Arbeiten bezüglich des Einsatzes von verstellbaren Stempeln in flexiblen Umformwerkzeugen bekannt. Beispielsweise konnte ein solches Konzept für das Tiefziehen vom Lehrstuhl für umformende Fertigungsverfahren der Universität Dortmund entwickelt werden (KLEINER & SMATLOCH 1991). Aber auch die Verwendung von Stempelkissen bei der automatisierten Modellierung großflächiger Sandgussformen wurde vom Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart angedacht (SCHAAF 2005). Neben der rein wissenschaftlich getriebenen Betrachtung von flexibel nutzbaren Stempelkissen bietet beispielsweise die Firma OptiMal Forming Solutions kommerziell ein System an, das ein flexibles Werkzeug für die Umformung darstellt. Dabei werden Bleche mittels flexibler Werkzeuge auf Basis von Stempeln in Kombination mit Gummikissen umgeformt (BOERS et al. 2007). Des Weiteren existiert ein Ansatz im Bereich der Blechumformung von dreidimensionalen Außenhautteilen bei Flugzeugen auf Basis einstellbarer Stempelkissen. Dieses Projekt wird am Manufacturing Engineering Centre der Universität Cardiff (UK) in Zusammenarbeit mit dem Dieless Forming Technology Development Centre der Jilin Universität Changchun (China) bearbeitet (PHAM et al. 2007). Eine über den Bereich der Fertigungstechnik hinausgehende Recherche hat gezeigt, dass das Grundkonzept der Formflexibilität auch im Bereich der Montagetechnik Anwendung findet. Es bestehen Ansätze, das Stempelkonzept in Betriebsmitteln zu nutzen, um dadurch besonders komplexe Bauteile mit ausgeprägten Freiformflächen zu spannen. Als Beispiel hierfür sind die Formspannsysteme der Firma MATRIX GmbH zu nennen. Die Grundelemente dieses Systems sind Stößelmodule, die sich dem jeweiligen Werkstück spezifisch anpassen (MATRIX 2007). Ein weiteres Beispiel, bei dem Stempel zur formflexiblen Gestaltung von Betriebsmitteln Verwendung finden, ist der von der Firma Schunk patentierte Stiftgreifer (OFFENLEGUNGSSCHRIFT DE A1 1994). Dabei wird ein Werkstück in einem so genannten Stiftfeld über einen doppeltwirkenden Zylinder verspannt. Der Greifer ist so ausgelegt, dass er als Handhabungsvorrichtung zum mechanischen Greifen, Halten oder Bewegen von Gegenständen, beispielsweise durch einen Industrieroboter, verwendet werden kann. 1.4 Motivation und Zielsetzung Auf Grund der zuvor beschriebenen Sachverhalte lässt sich feststellen, dass die Argumente zur Entwicklung einer neuen Technik bzw. eines formflexiblen Werkzeug- 12

24 1 Einleitung konzepts im Bereich des Rapid Tooling am Beispiel des Spritzgießens in drei Motivationssichten eingeteilt werden können. Zum einen fordert eine geänderte Marktsituation innovative, flexible Fertigungstechnologien, zum anderen müssen bestehende Herausforderungen im konventionellen Werkzeug- und Formenbau durch neue Ansätze ausgeglichen werden (siehe Abbildung 3). Hinzu kommt, dass derzeitige Verfahren des Rapid Tooling spezifische Defizite aufweisen (siehe Abschnitt 2.1 und Kapitel 3) und nicht oder nur teilweise an die sich wandelnde Marktsituation anpassbar sind. Flexibilität gering hoch Variantenvielfalt formflexibel gering Stückzahlen pro Werkzeug modular Kosten pro Bauteil innovativer Werkzeugund Formenbau konventionell hoch Mengenleistung Motivationssichten sich wandelnde Marktsituation bestehende Herausforderungen im Werkzeug- und Formenbau Defizite im Bereich des Rapid Toolig Zielsetzung Entwicklung eines flexiblen Spritzgießwerkzeugs, das es ermöglicht, verschiedene Varianten und Produktgeometrien herzustellen Senkung der Werkzeugkosten je Bauteil durch hohe Wiederverwendbarkeit des Werkzeugs Abbildung 3: Motivation und Zielsetzung Der Fokus bei der Entwicklung eines neuen, innovativen Werkzeugkonzepts für das Spritzgießen ist in der Realisierung von wiederverwendbaren, flexibel einsetzbaren Arbeitsmitteln zu sehen, die es ermöglichen, jegliche Geometrie mit einem einzigen Werkzeug abzubilden. Damit wird gewährleistet, dass die Werkzeugkosten sinken und das Serienfertigungsverfahren Spritzgießen auch im Prototypenbereich wirtschaftlich einsetzbar ist. Für die eigentliche Entwicklung des Werkzeugkonzepts gilt es, diesen Fokus durch detaillierte Ziele zu präzisieren. Aufbauend auf den identifizierten Motivationssichten zeigt Tabelle 1 die bestehenden Herausforderungen sowie die daraus resultierenden Ziele. 13

25 1.4 Motivation und Zielsetzung Motivationssichten sich wandelnde Marktsituation Herausforderungen Ziele kurze Produktentwicklungszeiten Konstruktionen frühe Absicherung von hohe Lohnkosten und globale Steigerung des Automatisierungsgrads Konkurrenz verstärkte Standortsicherung Innovationsbedarf kundenorientierte Produkte Flexibilität und Wiederverwendbarkeit aufwändige Konstruktionen automatisierte CAx-Kette bestehende kostenintensive formgebende reduzierte Anzahl an Herausforderungen im Werk- sequentielle, zeit- und lohn- Steigerung des Auto- Bereiche Prozessschritten kostenintensive Fertigung matisierungsgrads zeug- und Flexibilität und Wiederverwendbarkeit Formenbau keine Wiederverwendbarkeit Defizite im Bereich des Rapid Tooling hoher Nachbearbeitungsaufwand Prozessschritten reduzierte Anzahl an hohe Prozess- und Anlagenkosten Konzept einfaches, investitionsarmes Technologievorteile nicht im Prototypenwerkzeugbau nutzbar Ausrichtung auf Anforderungen des Prototypenwerkzeugbaus keine Wiederverwendbarkeit Flexibilität und Wiederverwendbarkeit Tabelle 1: Einteilung in Motivationssichten und Ableitung von Zielen Eine Revolution in der Auslegung von Spritzgießwerkzeugen ist darin zu sehen, ein im Bereich der formgebenden Elemente flexibles System zu entwickeln, das durch Anpassung seiner eigenen Gestalt das mit dem Werkzeug herstellbare Produktspektrum erweitert und damit auf sich ändernde Randbedingungen reagiert. Die hohe Wiederverwendbarkeit eines solchen formflexiblen Werkzeugsystems bietet enormes Einsparpotenzial im Werkzeug- und Formenbau, was mittels einer anzustrebenden automatisierten Gestaltänderung vollständig ausgeschöpft werden kann. Gerade im Hinblick auf die zunehmende Konkurrenz des globalen Markts kann der innovative Ansatz der Formflexibilität im Bereich der Werkzeugauslegung als standortsichernder Faktor fungieren. Durch eine konsequente Ausrichtung des Werkzeugsystems im Hinblick auf einen hohen Automatisierungsgrad, der neben dem eigentlichen Einstellvorgang auch die Ableitung der Werkzeugkavität beinhaltet, können zusätzliche, lohnkostenintensive Arbeitsschritte reduziert und der wirtschaftliche Einsatz eines formflexiblen Spritzgießwerkzeugs bei Kleinserien und Prototypen gewährleistet werden. Allerdings ist darauf zu achten, dass der technologische Aufwand zur Realisierung der Formflexibili- 14

26 1 Einleitung tät möglichst gering gehalten wird, um die Potenziale dieses Ansatzes auch bei Kleinserien oder der Losgröße 1 noch nutzen zu können. Darin unterscheidet sich dieses Konzept grundlegend von anderen Rapid-Tooling-Verfahren, die meist auf hoch technologisierten Anlagen basieren. Gerade unter den hier beschriebenen Voraussetzungen kann ein formflexibles Werkzeugkonzept besonders wirtschaftlich bei der Erprobung von Erstserien, der Markteinführung und -abschätzung oder sogar bei der Absicherung der Serienproduktion und des Produktionsstarts eingesetzt werden. Hinzu kommt die Möglichkeit der schnellen, kostengünstigen Herstellung serienidentischer Prototypen aus dem Originalwerkstoff mit dem Serienfertigungsverfahren Spritzgießen. Dies ist besonders bei der Absicherung der Serienproduktion relevant, da die Eigenschaften von Spritzgießbauteilen sehr stark von den Prozessparametern im Produktionsprozess abhängen. Aus diesem Grund ist es unabdingbar, Formwerkzeuge herzustellen, mit denen Prototypenbauteile unter möglichst serienidentischen Bedingungen produzierbar sind. Gerade dieser Aspekt spiegelt den Bedarf der Wiederverwendbarkeit und Formflexibilität von Werkzeugen im Produktentstehungsprozess wider. Die dargelegten Anforderungen an ein wiederverwendbares, formflexibles Werkzeug werden derzeit von keinem der bekannten Rapid-Tooling-Verfahren erfüllt. Die Notwendigkeit der Entwicklung von Formflexibilität ist daher unbestritten. Im Rahmen dieser Arbeit soll am Beispiel des Spritzgießens das Potenzial von Formflexibilität aufgezeigt, aber auch ein Ausblick auf zukünftige Anwendungsmöglichkeiten skizziert werden. 1.5 Gliederung der vorliegenden Arbeit Auf Grund der zuvor beschriebenen Situation lassen sich die in Abschnitt 1.4 definierten Motivationssichten und Ziele ableiten. Damit bildet das Kapitel 1 die Basis für die im Folgenden beschriebenen Darstellungen und Handlungsschritte (siehe Abbildung 4). Im Einleitungskapitel wurde besonderes Augenmerk auf die Motivationssicht sich wandelnde Marktsituation sowie bestehende Herausforderungen im Werkzeug- und Formenbau gelegt. Die dritte Motivationssicht ( Defizite im Bereich des Rapid Tooling ) blieb dabei nur angedeutet. Dies ist sinnvoll, da im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Entwicklung eines neuen Werkzeugkonzepts im Bereich des Rapid Tooling behandelt wird. Damit ist der zentrale Aspekt in Kapitel 2 (Stand der Technik) festgelegt und beinhaltet die noch notwendige detaillierte Darstellung der Techniken beim Rapid Tooling. 15

27 1.5 Gliederung der vorliegenden Arbeit Kapitel 8: Schlussbetrachtung Kapitel 7: Wirtschaftliche Bewertung Kapitel 6: Anwendung und Erprobung Kapitel 5: Entwicklung und Realisierung Kapitel 4: Entwicklungsunterstützende Methode Kapitel 3: Handlungsbedarf Kapitel 2: Stand der Technik Kapitel 1: Einleitung und Motivation Abbildung 4: Struktur der vorliegenden Arbeit Daraus lassen sich derzeit existierende Defizite ableiten. Somit wird der bereits angedeutete, zentrale Handlungsbedarf zur Entwicklung eines wiederverwendbaren formflexiblen Werkzeugs beim Rapid Tooling identifizierbar (siehe Kapitel 3). Die größte Herausforderung bei der Umsetzung von Formflexibilität für die Werkzeugauslegung ist in der physikalischen Realisierung der formflexiblen Elemente zu sehen. Es hat sich gezeigt, dass in den meisten Fällen ein Umsetzungsanstoß in Form einer Initialidee fehlt. Daher beschreibt Kapitel 4 die Entwicklung und Anwendung einer Methode, die aufbauend auf Anforderungen an ein geplantes formflexibles System physikalische Grundprinzipien vorschlägt, die dem Anspruch der Formflexibilität entsprechen. Am Beispiel des Spritzgießens zeigt dieses Kapitel die Einsetzbarkeit der Methode und schafft somit die Basis für den zentralen Kern der Arbeit: die Konzeption und Entwicklung eines formflexiblen Werkzeugsystems (siehe Kapitel 5). Dessen praktische Einsetzbarkeit wird in Kapitel 6 anhand verschiedener Einsatzszenarien aufgezeigt und durch die Beschreibung praktischer Versuchsreihen bewiesen. Diese Ergebnisse sind Grundlage für die abschließende wirtschaftliche Betrachtung des entwickelten Systems (siehe Kapitel 7) und die zusammenfassende Darstellung der Vor- und Nachteile eines formflexiblen Werkzeugs im Vergleich zu konventionellen Ansätzen im Bereich des Rapid Tooling für das Spritzgießen. Weitere zukünftige Handlungsfelder in Wissenschaft und Industrie sind Kapitel 8 zu entnehmen. 16

28 2 Stand der Technik 2 Stand der Technik 2.1 Rapid-Technologien im Bereich des Spritzgießens Der folgende Abschnitt gibt eine inhaltliche Bündelung des Themenbereichs der Rapid- Technologien für das Spritzgießen wieder. Eine detaillierte Darstellung der relevanten Verfahren zur Herstellung von Prototypenwerkzeugen (Rapid Tooling) kann den nachfolgenden Unterabschnitten entnommen werden. Die technische Anwendung der Rapid-Technologien für das Spritzgießen ist durch einen modularen Werkzeugaufbau möglich (siehe Abschnitt 1.3). Ein standardisierter Formrahmen, die Stammform, wird durch einen individuell herzustellenden Einsatz ergänzt, der die Aufgabe der Formgebung hat (BREITINGER 2003). Dieser kann mittels folgender ausgewählter Rapid-Technologien gefertigt werden: Metall verarbeitende generative Fertigungsverfahren Derivate konventioneller spanender Verfahren Verfahrenskombinationen (z. B. generativ-spanend, generativ-abformend) Modularisierungsansätze zur schnellen Werkzeugherstellung Bei Metall verarbeitenden, generativen Fertigungsverfahren wird zwischen den direkt arbeitenden und den indirekt arbeitenden Verfahren unterschieden. Direkte Metall verarbeitende generative Fertigungsverfahren oder auch Systeme für Direct Metal Fabrication (DMF) sind grundlegend nach deren Fertigungsprinzip, der schichtweisen Verfestigung eines pulverförmigen Werkstoffs mit Hilfe einer strahlbasierten Energiequelle, charakterisierbar (ZÄH et al. 2006c). Häufig wird dabei ein Laserstrahl eingesetzt, der die notwendige Energie zum Aufschmelzen des metallischen Pulvermaterials erzeugt. Demgegenüber sind auch Verfahren bekannt, die zur Energieeinkopplung beschleunigte und fokussierte Teilchen in Form eines Elektronenstrahls nutzen. Um die Vor- und Nachteile der generativen Fertigung aufzeigen zu können (siehe Unterabschnitt 2.1.1) und damit den Handlungsbedarf im Bereich des Rapid Tooling zu identifizieren (siehe Kapitel 3), ist es notwendig, die gesamte Prozesskette von der Arbeitsvorbereitung über den eigentlichen Herstellprozess bis hin zur Nachbearbeitung aufzuzeigen. Bei der generativen Fertigung eines Werkzeugformeinsatzes wird üblicherweise wie folgt vorgegangen (siehe Abbildung 5). 17